CN109071348A - 用于制造在轨道上部结构中使用的轨枕的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法，其以运行可靠且低成本的方式实现了制造具有优化的使用性能的用于轨道上部结构的轨枕。为此，根据本发明的方法具有以下工作步骤：a)提供混合物，其由10‑60质量％的受热能够变形的塑料颗粒以及作为剩余部分的堆积密度为1.4‑2.0g/cm3的砂子组成；b)将混合物加热至150‑200℃的温度；c)将混合物填入形成轨枕的压制模具中；d)在模具中以在混合物内测量为1‑5MPa的压制压力以小于等于60min的压制时长压制混合物；e)将轨枕从模具中脱模。

Description

用于制造在轨道上部结构中使用的轨枕的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造在轨道上部结构中使用的由塑料-砂子-混合物成型的轨枕的方法。
背景技术
在此文件中，引用标准及类似的规定时，只要没有其他说明,总是指在本申请提交时使用的版本。
有轨车辆驶经的轨道是轨道上部结构的一部分，并且包含有轨车辆的车轮滚过的导轨、承载导轨并将其保持在正确的位置上的轨枕、以及导轨固定装置，借助其将导轨固定在轨枕上。轨枕在此通常支撑在碎石道床(“碎石道床上部结构”)上或者例如通过水泥板或类似材质构成的硬质基底(“硬质车道”)上。
在使用中，轨枕承受高负载。其不仅必须吸收导轨和有轨车辆的重量，而且在有轨车辆驶经时还必须吸收高的动态负载。同时，其必须承受特征例如为高度的温度波动和湿度波动的、恶劣并且变化剧烈的环境条件。
传统的轨枕由木头、钢或水泥构成。木质轨枕相对昂贵，但在使用中在一定程度上表现为弹性的。其优点在于，借助其能够在不进行更高投入的条件下构成在重力方向上表现出对导轨寿命有利的一定挠性的轨道固定装置。相反，为了防止木质轨枕腐蚀，需要昂贵的并且在环保方面有些疑虑的措施。由于腐蚀风险，木质轨枕还必须相对频繁地进行检查并维护。
相反，水泥轨枕则更加耐磨并且能够更低成本地制造。但是，其重量大并且为非弹性的。缺乏弹性致使需要额外的措施以实现在相应的导轨固定点中所需的挠性。在极端的天气变化的条件下，水泥轨枕也表现得容易快速老化。
作为对传统木质轨枕和水泥轨枕的替代，提出由塑料-砂子-混合物制成的轨枕(DE 20 2011 050 077 U1)。砂子和塑料的聚合物在此彼此结合，从而一方面实现充足的形状刚性，另一方面也实现能够与木质轨枕的表现比拟的弹性。在此，实现对此种轨枕的制造的方法由EP 1 299 321 B1已知。在此方法中，将砂子加热至300-800℃，然后与相应塑料的颗粒混合。混合物加入形成轨枕的模具中并在1-40kPa的压力中冷却至60-100℃。砂子的粒度应为0.5-0.9mm。
发明内容
在此现有技术的背景下，本发明的目的在于，提出一种方法，借助此方法能够制造运行可靠并且成本低、具有优化的使用特性的轨枕。
本发明通过权利要求1中所述的方法实现了此目的。
本发明有利的设计方案在从属权利要求中给出并在下文中与本发明的整体构思一同详细说明。
根据本发明的用于制造使用在轨道上部结构中的轨枕的方法因此包含以下工作步骤：
a)提供混合物，此混合物由10-60质量％的受热能够变形的塑料颗粒以及作为剩余部分的、堆积密度为1.4-2.0g/cm3的砂子组成；
b)将此混合物加热至150-180℃的温度；
c)将此混合物填入形成轨枕的压铸模具中；
d)在此模具中以在混合物内测量为1-5MPa的压力压制小于等于60min的压制时长；
e)使轨枕从模具中脱模。
本发明由以下认知为前提，可靠、运行可靠的制造需要选择精确限定的温度范围以及同样为压制压力精确确定的范围，填充在相应模具中的砂子-塑料-混合物保持在此压制压力下，直至砂子和塑料形成轨枕保持形状所需的连接。
根据本发明，在相应的模具中压制时砂子-塑料-混合物的温度所处的温度范围为150-200℃。通过首先将砂子和相应的塑料颗粒混合、然后将获得的混合物加热至压制温度，砂子-塑料-混合物能够获得此温度。在实践的试验中证实，以至少160℃的压制温度能够制造在其形态稳定性、表面特性以及力学特性方面也能满足最高要求的可靠的轨枕。在考虑到优化能量使用的条件下，可有利地将压制温度限定为最高180℃。
替代对塑料和砂子共同加热，可以有利地仅预热砂子，并在之后才将其与尚未加热的塑料颗粒混合。由于与热砂子接触，在此之前较冷的塑料快速加热至根据本发明要求的压制温度。这不仅对于热能高效的利用有利，而且也对砂子和塑料的结合过程具有积极影响。为了利用此优势，在顾及到在待制造的轨枕中设定的砂子和塑料的质量比例以及塑料的加热行为的条件下将砂子加热至压制温度以上，使得由热砂子和冷塑料构成的混合物在混合以后的温度位于根据本发明设定的温度范围内。为此，在实际的试验中证实，可以将砂子加热至180-250℃、尤其至少190℃或者最高230℃的温度，然后再与塑料混合。
根据本发明加工过的砂子-塑料-混合物必须在压制模具中具有根据本发明预先设定的压制温度。为了保证此点，在将砂子-塑料-混合物填充到模具内之前将其加热并在热的状态下将其填充到赋形的工具中的方法变体中，需要在考虑到通过混合物与模具接触可能引起的温度损耗的条件下，使砂子-塑料-混合物的温度调节至使混合物在填充到模具内后的温度仍旧处于预先为压制温度设定的温度范围内。为了避免过度的温度损耗，可以有利地使用于填充的压制模具加热至平均至少100℃、尤其至少110℃，其中在此，为了保证相应填充在压制模具内的砂子-塑料-混合物充足的加热，直至180℃、尤其直至140℃温度在实践中证实为足够的并且在考虑到优化利用能源的条件下证实为有利的。针对压制模具的温度，“平均”在此表示对压制模具的所有区域测量的温度的平均值符合根据本发明的设定。因此，可以存在与此设定的局部偏差，即更高或更低的温度。决定性的是，达到平均值，其中，局部出现的与平均值的偏差以最优的方式不大于10％、尤其不大于5％。
在压制以后可以使轨枕脱模。在此，当然将轨枕在需要时在模具中冷却至特定的脱模温度，从而简化脱模。由此证实为有利的是，轨枕的脱模温度为40-100℃、尤其50-70℃。
对本发明的实现重要的还在于，与塑料颗粒混合的砂子具有1.4-2.0g/cm3的堆积密度，其中，堆积密度至少为1.6g/cm3的砂子证实为尤其有利的。在使用具有在根据本发明的设定中选择的堆积密度的砂子的情况下，保证了与塑料颗粒的良好的充分混合并由此保证了砂粒接合在制成的轨枕中围绕其的塑料阵列上，此塑料阵列由在加热与压制过程之后熔化并凝结的塑料颗粒结晶构成。在此，小于等于1.9g/cm3、尤其至少1.7g/cm3的堆积密度证实为尤其有利的。
实际试验中得出，由平均粒度为具有0.1-0.5mm的平均颗粒直径的颗粒组成的砂子尤其适用于根据本发明的目的。在此种粒化中，砂子颗粒能够特别良好地嵌入制成的轨枕的塑料阵列中。由此，不仅优化了轨枕的稳定性，而且针对在有轨车辆的轨道中用作轨枕的应用情况最优地调整了轨枕的减震性能及其弹性。当砂子颗粒的平均粒度小于0.5mm、即例如最大为4.8mm、最大为4.5mm或甚至最大仅为0.44mm时尤其如此。
用于根据本发明目的的砂子可以考虑使用所有堆积密度符合根据本发明的规定的最低要求的砂子。
实际试验显示，对用于根据本发明的轨枕的材料内的砂子的种类没有特殊的要求。破裂的砂子证实为有利的、但不是必须的。在此，通常涉及人造砂，如其例如在基于回收砂子制造的产品、例如根据本发明的轨枕中产生。破裂的砂子的特征在于，其颗粒在其周围具有尖锐边缘的突起，其通过此突起卡住与其相邻的颗粒并从而有利于根据本发明制造的轨枕特别高的强度以及抗断裂性。
根据本发明使用的砂子的颗粒硬度有利地为按照莫式方法确定的(例如参见Detlef Gysau所著的“填料(Fül lstoffe)”,第3版，Hannover:Vincentz Network,2014,ISBN:9783866308398)5-8的硬度，其中，颗粒的莫氏硬度为至少6、尤其至少7的砂子证实为尤其适用的。
在工作步骤a)中提供用于根据本发明的方法的混合物的塑料颗粒含量为10-60质量％，其中，20-40质量％的含量证实为尤其有利的。
原则上，所有能够与符合本发明规定的砂子混合并在加热和加压的条件下能够压缩至使塑料和嵌在其中的砂子颗粒之间产生足够的连接的塑料都可以用作根据本发明制造轨枕的塑料。为此，通常称作“热塑性”的塑料尤其适用。
在此，由聚丙烯颗粒(PP颗粒)或聚乙烯颗粒(PE颗粒)组成的塑料颗粒尤其适用，其中，PP颗粒证实为尤其有利的。如果对塑料材料存在特殊要求，由高密聚乙烯(HDPE颗粒)组成的颗粒也可能适用于本发明。
用于制造根据本发明的轨枕的塑料颗粒可均匀地由单种塑料颗粒构成，或者作为不同种塑料颗粒的混合物使用。
如果应使用塑料颗粒混合物，那么，证实为有利的是，塑料颗粒由40-60质量％的PP颗粒和PE或HDPE颗粒构成的剩余部分组成。
同样，如果塑料或组成塑料颗粒的塑料根据DIN EN ISO 1133在230℃的测试温度和2.16kg的负载质量的条件下测得的熔流指数MFI/230/2,16(参见:A.B.Mathur,I.S.Bhardway所著的“塑料的测试与评估(Testing and Evaluation of Plast ics)”,All iedPubl ishers PVT.Limited,2003,ISBN 81-7764-436-X)分别大于20，则在根据本发明填充在赋形的模具中的砂子-塑料-混合物在压制时的良好的充模性方面证实时有利的。
根据本发明加工的砂子-塑料-混合物的塑料与砂子的良好的充分混合可额外地由此促进，使塑料颗粒的粒度匹配于砂子的粒度。为此，塑料颗粒以粉末或粉剂的形式存在是可行的。
根据本发明制造的轨枕具有可靠性高的抗断裂能力。
针对根据本发明制造的轨枕执行的根据DIN EN 13146-10的测试结果通常显示出满足最严苛的高要求的抗拉阻力，从而就此而言总是可靠地满足实践中的要求。
此外，根据本发明的轨枕优势适合使用自攻导轨固定螺栓，此自攻导轨固定螺栓旋入尤其作为孔制造在轨枕中的柱状开口中从而固定支撑在轨枕上的导轨并且在此攻入围绕开口的材料中。在此显示，根据本发明的轨枕能够吸收至少60kN的高拧紧力矩，而不造成轨枕材料的断裂。这实现了结合根据本发明的轨枕使用构造简单并且价格低廉的系统对待固定的导轨进行固定，在此导轨中，为了固定在轨枕上只需要最少数量的螺栓。
附图说明
具体实施方式
下面根据实施例进一步阐述本发明。
为了制造用于碎石道床上部结构的以传统方式长方体状延长地成型的轨枕，提供石英砂。砂子的堆积密度为约1.9g/cm3，莫氏硬度为7并且砂子颗粒的平均粒度为0.1-<0.5mm。
同样，提供塑料颗粒，其由聚丙烯塑料颗粒(PP颗粒)的混合物组成。在230℃和2.16kg的负载条件下测得的PP塑料颗粒的熔流指数为大于20。
在与塑料颗粒混合之前，砂子借助浸入其中的、借助热油加热过的热芯加热至220℃。与此不同，塑料颗粒的温度等于室温。
热砂子接着与塑料颗粒混合。砂子和塑料颗粒的剂量在此使得获得的砂子-塑料-混合物由35质量％的塑料颗粒以及作为剩余部分的砂子组成。在混合之后，塑料颗粒变热，热砂子以相应的方式冷却，从而获得的砂子-塑料-混合物具有170℃的压制温度。在此温度下，塑料颗粒已经完全熔化。
如此调温的砂子-塑料-混合物填充到压制工具的模具中，它们的温度保持在至少120℃。
然后，砂子-塑料-混合物在模具中在3.6MPa的压力下保持例如30分钟的时长。由此方式使模具以砂子-塑料-混合物均匀地填充，从而完好地形成通过模具设定的轨枕细节并形成砂子与其周围的塑料的高强度连接。
在压制时间之后打开模具并将获得的轨枕冷却至60℃的脱模温度，在此温度下最终将轨枕从模具中脱模。
获得的轨枕具有高抗断安全系数，使得其能够持久可靠地吸收在实际应用中出现的负载。
在此证实，抗拉阻力，即将导轨固定装置的固定件从轨枕中拉出所需的力，明显大于在实践中为此规定的最小值。
同样，在使用传统轨枕螺栓进行的试验中，达到了明显高于60kN、例如70kN及更高的拧紧力矩。
根据本发明以前述方式制造的枕木的长方体状的样品以及根据前文提及的德国实用新型DE 20 2011 050 077U1的指示制造的样品在-20℃、0℃、室温、+50℃、+70℃的测试温度下进行了三点弯曲试验。三点弯曲试验参考DIN EN 196-1执行。在此，样品的尺寸为160×40×40mm。
在附图中示意性地示出了试验装置。样品P放置在两个柱状的、以100mm的间距彼此平行布置的支座A1，A2上，使得样品的各个末端区段分别由侧面伸出对应支座A1，A230mm。相应的测试力K通过支座A3施加在进行试验的样品P上。
试验显示，由根据本发明制造的样品在试验中吸收的极限载荷，即超过其则出现相应样品断裂的最大测试力K，在每种测试温度下的平均值比在同样测试温度下能够由传统方式制造和处理的参照样品吸收的极限载荷高出至少46％。
在表1中给出了针对每种测试温度TP，在三点弯曲试验中由根据本发明的样品吸收的极限载荷BK_erf的平均值比能够由参照样品吸收的平均极限载荷BK_konv高出的比例A％(A％＝[BK_erf-BK_konv]/BK_konv)。
TP[℃] A％[％]
-20 +46％
0 +60％
20 +66％
50 +59％
70 +63％
表1

Claims (14)

1.用于制造使用在轨道上部结构中的轨枕的方法，所述方法具有以下工作步骤：
a)提供混合物，所述混合物由10-60质量％的受热能够变形的塑料颗粒以及作为剩余部分的堆积密度为1.4-2.0g/cm3的砂子组成；
b)将所述混合物加热至150-200℃的温度；
c)将所述混合物填入形成轨枕的压制模具中；
d)在模具中以在混合物内测量为1-5MPa的压制压力以小于等于60min的压制时长压制混合物；
e)将轨枕从模具中脱模。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在工作步骤a)中提供的质量含有20-40质量％的塑料颗粒。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在工作步骤a)中提供的砂子的堆积密度至少为1.6g/cm3。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压制时长为至少5min。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述混合物在工作步骤b)中加热至的温度为至少160℃。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述塑料颗粒由聚丙烯颗粒(PP颗粒)或者聚乙烯颗粒(PE颗粒)组成。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述塑料颗粒由PP颗粒和PE颗粒混合组成。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述塑料颗粒由40-60质量％的PP颗粒以及作为剩余部分的PE颗粒组成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，组成所述塑料颗粒的一种或多种塑料的熔流指数MFI/230/2,16分别大于20。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在将所述砂子与所述塑料颗粒混合之前，将所述砂子加热至150-230℃的温度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在使用塑料颗粒-砂子-混合物填充压制模具时，所述压制模具的温度平均为100-140℃。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述砂子由平均粒度为0.1-0.5mm的颗粒组成。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述砂子的颗粒的平均粒度小于0.5mm。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述砂子的莫氏硬度为5-8。
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